基于8086步進(jìn)電機(jī)課程設(shè)計

皖西學(xué)院本科課程設(shè)計皖西學(xué)院本科課程設(shè)計步進(jìn)電機(jī)電機(jī)控制設(shè)計摘要：8255A是一種通用的可編程并行I/O接口芯片（ProgrammablePeripherialInterface,PPI），它是為Intel系列微處理器設(shè)計的配套電路，也可以用于其他微處理系統(tǒng)中。通過它進(jìn)行編程，芯片可工作于不同的工作方式。在微型計算機(jī)系統(tǒng)中，用8255A作為接口是時，通長常不需要附加外部邏輯電路就可直接為CPU與外設(shè)之間提供數(shù)據(jù)通道，因此它得到了極為廣泛的應(yīng)用。其次步進(jìn)電機(jī)具有快速啟動和停止的能力，它的步矩角和轉(zhuǎn)速不受電壓波動和負(fù)載變化的影響，也不受環(huán)境條件如：溫度、氣壓、沖擊和振動等影響，僅與脈沖頻率有關(guān)。它每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，在不丟失步的情況下運行，其步矩誤差不會長期累積。正因為步進(jìn)電機(jī)具有快速啟動、精確步進(jìn)以及能直接接收數(shù)字量的特點，所以在定位場合中得到了廣泛的應(yīng)用。比如在打印機(jī)中，數(shù)控車床、自動記錄儀表、數(shù)模交換裝置和計算機(jī)等數(shù)字控制系統(tǒng)中。隨著微機(jī)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的使用領(lǐng)域?qū)⒏訌V闊。本次設(shè)計正是利用并介紹了可編程并行I/O接口芯片8255A為8086CPU與步進(jìn)電機(jī)之間提供數(shù)據(jù)通道，通過芯片的A口輸入，B口輸出的方式來實現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)的停轉(zhuǎn)、快慢及正反轉(zhuǎn)。關(guān)鍵詞：可編程并行I/O接口芯片8255A；8086CPU；ULN2003A驅(qū)動芯片；步進(jìn)電機(jī)目錄TOC\o"1-3"\h\u158031課程設(shè)計題目及課題分析 課程設(shè)計題目及課題分析1.1課程設(shè)計題目步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計，運用匯編語言編寫程序?qū)?255A控制，通過emu8086編譯成.com文件并載入8086CPU中并用74LS373、74LS130、ULN2003A等一些列芯片通過連接實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。1.2步進(jìn)電機(jī)介紹步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動機(jī)，是按專用的脈沖電源的脈沖信號二一步一步的移動的。電源每輸入一個脈沖，電動機(jī)就會轉(zhuǎn)過一定的角度。因此，步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速與脈沖的頻率成正比。步進(jìn)電機(jī)有反應(yīng)式（磁阻式）、永磁式、和永磁感應(yīng)式的數(shù)種，此外，步進(jìn)電機(jī)還可以做成直線型和平面型兩種。步進(jìn)電機(jī)的定子可以有很多個磁極，兩個相對的磁極為一相，定子按照一定順序通電，轉(zhuǎn)子則會按一定順序一步一步地的旋轉(zhuǎn)。由一種通電狀態(tài)變換到另一種通電狀態(tài)叫一“拍”，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度叫步矩角，如果每次有兩相通電，則稱為雙拍。本次設(shè)計中用的是雙八拍。步進(jìn)電機(jī)具有快速啟動和停止的能力，它的步矩角和轉(zhuǎn)速不受電壓波動和負(fù)載變化的影響，也不受環(huán)境條件如：溫度、氣壓、沖擊和振動等影響，僅與脈沖頻率有關(guān)。它每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，在不丟失步的情況下運行，其步矩誤差不會長期累積。除此之外其體積小，重量輕、耗電少外，還必須具有高可靠性、高精度、快速性。正因為步進(jìn)電機(jī)具有快速啟動、精確步進(jìn)以及能直接接收數(shù)字量的特點，所以在定位場合中得到了廣泛的應(yīng)用。日益廣泛應(yīng)用于數(shù)控車床、自動記錄儀表、數(shù)模交換裝置和計算機(jī)等數(shù)字控制系統(tǒng)中。隨著微機(jī)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的使用領(lǐng)域?qū)⒏訌V闊。1.3課程設(shè)計任務(wù)及要求任務(wù)：控制四相步進(jìn)電機(jī)按雙八拍的運行方式運行。將開關(guān)K2置高電平時啟動步進(jìn)電機(jī)，將K2鍵置低電平時，停止工作。步進(jìn)電機(jī)的加電采用循環(huán)查表法，用軟件來實現(xiàn)脈沖循環(huán)分配器的功能對步進(jìn)電機(jī)繞組輪流加電。要求：要使電機(jī)能通過控制實現(xiàn)四項功能：快速順時針旋轉(zhuǎn)，慢速順時針旋轉(zhuǎn)，快速逆時針旋轉(zhuǎn)和慢速逆時針旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計，畫出電路原理圖、元器件布線圖、實驗電路圖；繪制程序流程圖，進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計（采用匯編語言）。1.4軟硬件運行環(huán)境及開發(fā)工具硬件：PC機(jī)一臺軟件：能夠仿真調(diào)試8086的Proteus軟件、emu8086開發(fā)語言：匯編語言2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)各部件功能原理介紹2.1設(shè)計原理及實現(xiàn)方法2.1.1步進(jìn)電機(jī)控制原理 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移的一種機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器。其旋轉(zhuǎn)的角位移與輸入脈沖的個數(shù)成正比；轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率成正比；轉(zhuǎn)動方向和輸入脈沖對繞組加電的順序有關(guān)。因此，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度位移、轉(zhuǎn)速以及方向均受輸入脈沖的控制。 步進(jìn)電機(jī)在系統(tǒng)中是一種執(zhí)行元件，都要帶負(fù)載，因此需要功率驅(qū)動。在電子設(shè)備中，一般所需功率較小，常采用達(dá)林頓復(fù)合管作功率驅(qū)動。驅(qū)動原理如圖2.1所示。+12V+12VATIP122圖2.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動原理圖2.1.2微機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖步進(jìn)電機(jī)接口的硬件部分主要是提供輸送相序代碼的并行數(shù)據(jù)線（8根），以及保護(hù)電機(jī)繞組的器件，所以接口電路以8255A為主芯片，將PA口作數(shù)據(jù)口，傳送加電代碼，再加上鎖存器74LS373作繞組保護(hù)。另外，還有功率驅(qū)動管TIP122，以及二極管、開關(guān)K0、K1、K2。本實驗采用A口作為控制口，B口作為輸出口，PA0、PA1、PA2分別接開關(guān)的K0、K1、K2，PB0、PB1、PB2、PB3分別接ULN2003A的B1、B2、B3、B4端。微機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖如圖2.2所示。圖2.2微機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖2.1.3運行方式與方向的控制——循環(huán)查表法 步進(jìn)電機(jī)的運行方式是指各相繞組循環(huán)輪流通電的方式。本次設(shè)計采用的是雙八拍即AB→ABC→BC→BCD→CD→CDA→DA→DAB步進(jìn)電機(jī)的運行方式及方向控制采用循環(huán)查表法。循環(huán)查表法是將各繞組加電順序的控制代碼編制成一張步進(jìn)電機(jī)相序表（如表2.1所示），存放在內(nèi)存區(qū)，在設(shè)置一個地址指針。表2.1步進(jìn)電機(jī)相序表繞組與數(shù)據(jù)線的連接運行方式相序表查表方向DCBA雙八拍加電代碼地址代碼正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)D7D6D5D4D3D2D1D000000011AB03H400H00000111ABC07H401H00000110BC06H402H00001110BCD0EH403H00001100CD0CH404H00001101CDA0DH405H00001001DA09H406H00001011DAB0BH407H2.1.4步進(jìn)電機(jī)的停轉(zhuǎn)及快慢控制——設(shè)置開關(guān) K0——控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的快慢，K0=0表示慢轉(zhuǎn)，K0=1表示快轉(zhuǎn)； K1——控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，K1=0表示正轉(zhuǎn)，K1=1表示反轉(zhuǎn)； K2——控制步進(jìn)電機(jī)的啟/停，K2=0表示停，K2=1表示啟動。2.2步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計流程圖如圖2.2所示：NNNNNYYYYY開始8255初始化K2=1正慢旋轉(zhuǎn)判斷K1K0的值001011反慢旋轉(zhuǎn)反快旋轉(zhuǎn)短延時01正快旋轉(zhuǎn)結(jié)束圖2.2步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計流程圖3步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)軟件編寫與仿真3.1硬件設(shè)計與實現(xiàn)本電路的設(shè)計是利用8255A的A口作為輸入口，B口作為輸出，C口沒有用到。PA0，PA1，PA2分別用來控制步進(jìn)電機(jī)的開啟/停止、正反向、快慢轉(zhuǎn)。PB0,PB1,PB2,PB3作為輸出口，分別接步進(jìn)電機(jī)的ABCD端口，輸出相序表中的加電編碼，從而使步進(jìn)電機(jī)可以開始運轉(zhuǎn)。具體的接線如圖3.1所示：PB3PB3PB2PB1PB08255APA2PA1PA0B4C4B3C3B2C2B1C1驅(qū)動環(huán)節(jié)K2K1K0控制單元DCBA步進(jìn)電機(jī)圖3.1步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)連線圖3.2仿真結(jié)果3.2.1并行接口I/O芯片8255A首先是并行接口芯片8235A如圖（3.2）,其是一種通用的可編程并行I/O接口芯片，通過對它進(jìn)行編程，芯片可工作于不同的工作方式之下。在這里用到的工作方式是0口，A口輸入，B口輸出方式。圖3.2.18255A3.2.2驅(qū)動部分與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動部分是采用芯片ULN2003A，終端執(zhí)行部分是步進(jìn)電機(jī)如圖（3.3），其是一個7路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時ULN2003A輸出端為低電平，當(dāng)輸入端為低電平時ULN2003A輸出端為高電平。也可以作為一些器件，在這里作步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路。圖3.2.2驅(qū)動部分與步進(jìn)電機(jī)3.2.3步進(jìn)電機(jī)與外部開關(guān)外部控制部分則是用K0、K1、K2通過控制對從A口輸入B口輸出的電平信號，通過驅(qū)動單元來控制步進(jìn)電機(jī)的快慢、正反轉(zhuǎn)以及停轉(zhuǎn)。如圖3.3所示：圖3.2.3步進(jìn)電機(jī)外部控制開關(guān)3.2.4仿真結(jié)果首先利用匯編語言編寫出各部分相應(yīng)的控制程序，調(diào)試無誤后，利用emu8086編譯成.com后綴文件加載入8086芯片中，然后運行。如圖3.3.4所示：圖3.2.4仿真結(jié)果3.3軟件設(shè)計實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)運行方式、方向和速度以及啟/停的控制，是接口軟件設(shè)計的主要任務(wù)。為此，在編寫程序之前，要建立一個相序表。相序表的建立應(yīng)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)運行方式的要求及各繞組與8255A端口連接情況來確定加電代碼。根據(jù)上圖的連接情況，可以寫出相序表中雙八拍運行方式的加電代碼為：03H,07H,06H,0EH,0CH,0DH,09H,0BH。在8259初始化完畢后，取出相序表的首地址，將其存如BX。當(dāng)要求步行電機(jī)正轉(zhuǎn)時，首地址進(jìn)行加1操作。在次過程中要檢查指針是否指到末地址。若是，指針減7，回到首地址，如此循環(huán)。當(dāng)要求反轉(zhuǎn)時，將首地址進(jìn)行加7操作到達(dá)末地址，在進(jìn)行減1操作，在次過程找要檢查指針是否到達(dá)首地址。如是，則將指針加7回到末地址。根據(jù)設(shè)計流程圖，軟件設(shè)計部分將本系統(tǒng)分為6個子程序，分別是正向慢轉(zhuǎn)子程序、正向快轉(zhuǎn)子程序、反向慢轉(zhuǎn)子程序、反向快轉(zhuǎn)子程序、長延時子程序、短延時子程序。3.3.1正向慢轉(zhuǎn)子程序ZM:MOVAL,[BX]CMPAL,0BH;檢查是不是最后一個加電代碼JNZXH1SUBBX,8XH1:INCBX;指針作加1運算，及實現(xiàn)向后移動MOVAL,[BX]OUT61H,AL;從B口輸出CALLDELAY1;調(diào)用長延時JMPA13.3.2正向快轉(zhuǎn)子程序ZK:MOVAL,[BX]CMPAL,0BHJNZXH2SUBBX,8XH2:INCBXMOVAL,[BX]OUT61H,ALCALLDELAY2;調(diào)用短延時JMPA13.3.3反向慢轉(zhuǎn)子程序FM:MOVAL,[BX]CMPAL,03H;檢查是不是第一個加電碼JNZFXH1ADDBX,8;若是第一個加電碼，則指針加8跳到最后一個加電碼FXH1:DECBX;指針減1，實現(xiàn)向前移動MOVAL,[BX]OUT61H,ALCALLDELAY1;調(diào)用長延時子程序JMPA13.3.4反向快轉(zhuǎn)子程序FM:MOVAL,[BX]CMPAL,03H;檢查是不是第一個加電碼JNZFXH1ADDBX,8;若是第一個加電碼，則指針加8跳到最后一個加電碼FXH1:DECBX;指針減1，實現(xiàn)向前移動MOVAL,[BX]OUT61H,ALCALLDELAY2;調(diào)用短延時子程序JMPA13.3.5長延時子程序DELAY1:PUSHCXMOVCX,0E300H;通過修改CX的值來提高旋轉(zhuǎn)的速度ADD1:PUSHAXPOPAXLOOPADD1POPCXRET3.3.6短延時子程序DELAY2:PUSHCXMOVCX,06300H;CX的值就為循環(huán)的次數(shù)，通過循環(huán)來達(dá)到延時ADD2:PUSHAXPOPAXLOOPADD2POPCXRET4系統(tǒng)調(diào)試與操作說明4.1系統(tǒng)調(diào)試 在剛開始，從網(wǎng)上找了一個程序，運行之后，步進(jìn)電機(jī)能夠按照需求運轉(zhuǎn)，但是后來同學(xué)提醒實現(xiàn)單步運行，這個時候就出現(xiàn)了問題，當(dāng)要步進(jìn)點擊停止時，驅(qū)動環(huán)節(jié)的指示燈總是停在相同的位置，而且單步運行時的燈的順序并不是按照相序表來變化的，僅僅電機(jī)能轉(zhuǎn)而已，所以最后舍棄了這個程序，開始自己寫。 首先就是要讓步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)起來，轉(zhuǎn)起來的前提就是要讀去相序表，在這個過程中，我一直采用的是單步運行方式，在單步運行時，能夠順利的讀取相序表，但是當(dāng)我運行時，就出現(xiàn)了問題，因為當(dāng)讀到最后一個時，不能返回來，每次只能順序讀一次。最后和同學(xué)討論，得到了解決方法，在正轉(zhuǎn)時，每次都判斷是不是到了最后一個加電碼，如果是，則指針減8（因為正轉(zhuǎn)時，每次指針都要加1），這樣就又回到了首地址了。 在整個程序中，延時程序調(diào)試的次數(shù)最多了，剛開始，用的數(shù)值不是很大，這樣電機(jī)轉(zhuǎn)的速度很快，導(dǎo)致指示燈一直亮著，而且快、慢轉(zhuǎn)幾乎很難分清。最后經(jīng)過不斷的試驗，將數(shù)據(jù)調(diào)到了一個比較合理的值，即轉(zhuǎn)的不是很快，燈能正常顯示，又能很好的區(qū)分快慢轉(zhuǎn)了。4.2操作說明 在proteus仿真軟件上設(shè)計連接完電路圖后，雙擊8086芯片加載入原先編寫并用emu8086軟件編譯的.com文件后，點擊開始仿真。然后根據(jù)狀態(tài)表（表4.1）點K0、K1、K2便能通過仿真圖看到步進(jìn)電機(jī)的停轉(zhuǎn)正反轉(zhuǎn)及快慢轉(zhuǎn)。表4.1各開關(guān)對應(yīng)的步行電機(jī)狀態(tài)表開關(guān)步進(jìn)電機(jī)運行狀態(tài)K2K2K0000停止100正向慢轉(zhuǎn)101正向快轉(zhuǎn)110反向慢轉(zhuǎn)111反向快轉(zhuǎn)5課程設(shè)計總結(jié)與體會這課程設(shè)計，花了兩周的時間，在這些天時間里不僅鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，比如說8255A的具體作用等，通過這次課程設(shè)計之后，一定把以前所學(xué)過的知識重新溫故。而本次的課程設(shè)計是運用仿真軟件proteus在計算機(jī)上進(jìn)行仿真，proteus仿真軟件一般情況下對所有芯片都可以仿真，但值得注意的是若利用8086匯編仿真時，必須在proteus的安裝盤的子文件中植入兩個子文件，才能保證8086正常仿真。而不是一般步驟下安裝后就直接仿真。還有則是對步進(jìn)電機(jī)的了解與學(xué)習(xí)，由于之前沒有學(xué)過步進(jìn)電機(jī)。所以一開始剛接過設(shè)計任務(wù)書時感到很茫然，不知從何入手。隨后通過到圖書館查閱相關(guān)書籍與資料再通過網(wǎng)絡(luò)查詢搜集一些關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的知識，才對其有所了解。比如步進(jìn)電機(jī)的工作原理，工作方式分幾相幾拍等一些步進(jìn)電機(jī)的術(shù)語有所了解，知道是什么意思。但還不是很熟練，今后仍需加深學(xué)習(xí)。除了以上所說的以外，我覺得其實去設(shè)計以及實現(xiàn)一個程序所花費的時間遠(yuǎn)不如測試時用的多，在調(diào)試試的過程中，我懂得了一些調(diào)試的基本步驟，編寫程序必須依賴于系統(tǒng)的邏輯流程圖，因此流程圖是程序能否編寫出來的重要依據(jù)。還有就是從小到大，從局部到整體的調(diào)試，在實現(xiàn)了局部的功能后，應(yīng)該學(xué)會怎么樣去將它用最簡潔的方法與整體融合起來。而糾正錯誤的過程中，也要逐步的去排除，而不應(yīng)當(dāng)自己覺得哪里錯了就去修改哪里，這樣的后果只會事倍功半。我覺得這些東西對于我以后的工作將有很大的幫助。致謝在本次課程設(shè)計中，自己和搭檔不僅花了很大的心血，同時也得到了很多人的幫助，為我們能夠順利的完成課程設(shè)計創(chuàng)造了有利的條件。在這里，我向所有幫過我的人道謝，特別要感謝我的指導(dǎo)老師盧承領(lǐng)老師，在課程剛開始設(shè)計開始的時候，老師就指導(dǎo)我怎么去做此次的課程設(shè)計，指導(dǎo)我去收集有關(guān)步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)知識，并對我做設(shè)計過程中遇到的問題給予積極詳細(xì)的指導(dǎo)。大學(xué)的老師們治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。最后還要感謝幫助我的同學(xué)，在我遇到困難時給予我耐心的幫助，給我創(chuàng)造必要的條件。在設(shè)計即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到課題設(shè)計的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)給了我無限的幫助，在這里請接受我誠摯謝意！同時也感謝學(xué)院為我提供良好的做課程設(shè)計的環(huán)境。最后再一次感謝所有在設(shè)計中給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)，以及在課程設(shè)計中被我引用或參考的論著的作者。參考文件獻(xiàn)[1]周佩玲，彭虎，傅忠謙《微機(jī)原理與接口技術(shù)》北京，電子工業(yè)出版社2005[2]周荷琴，馮煥清《微型計算機(jī)原理與接口技術(shù)》合肥，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社第5版2013.3[3]沈美明，溫東嬋《IBM-PC匯編語言程序設(shè)計》北京，清華大學(xué)出版社1993[4]趙影《電機(jī)與電力拖動》北京，國防工業(yè)出版社第2版2008附錄步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)源程序DATASEGMENT TABDB03H,07H,06H,0EH,0CH,0DH,09H,0BHDATAENDSCODESEGMENTASSUMECS:CODE,DS:DATA,SS:STACKSTART:MOVAX,DATAMOVDS,AXMOVBX,OFFSETTABA1:MOVDX,0EEHMOVAL,90HOUTDX,ALMOVDX,0E8HINAL,DXMOVDX,0EAHOUTDX,ALINAL,0E8H ANDAL,04H CMPAL,00H JZA1 INAL,0E8H ANDAL,03H CMPAL,00H JZZM CMPAL,01H JZZK CMPAL,02H JZFM CMPAL,03H JZFKZM:MOVAL,[BX]CMPAL,0BHJNZXH1SUBBX,8XH1:INCBXMOVAL,[BX]OUT0EAH,ALCALLDELAY1JMPA1ZK:MOVAL,[BX]